چند واقعیت حیرت‌آور علمی در چالش با آموزه‌های دبیرستان

دانشی که ما در دبیرستان آموخته‌ایم در واقع پایه و اساس همه موارد علمی دیگری است که در مورد آن‌ها مطالعه می‌کنیم.
اما قطعاً فراگیری دانش در دبیرستان به پایان نمی‌رسد و زمانی که به سطح علمی بالاتری می‌رسیم تازه متوجه می‌شویم که چقدر شگفتی‌های حیرت‌انگیزی در جهان وجود دارد.
در این گزارش به برخی واقعیت‌های باورنکردنی اشاره می‌کنیم که در دبیرستان نیاموخته‌ایم اما آرزو می‌کردیم کاش یاد گرفته بودیم.

** آب هم‌زمان می‌تواند بجوشد و یخ بزند
یکی از این واقعیت‌های باورنکردنی موضوع جوشیدن و یخ زدن هم‌زمان آب است. قطعاً این واقعیت به دلیل رسیدن به «نقطه سه‌گانه» ایجاد می‌شود؛ نقطه سه‌گانه زمانی بروز می‌کند که دما و فشار برای سه فاز (گاز، مایع و جامد) یک ماده در تعادل ترمودینامیکی باشند.
نقطه سه‌گانه آب نقطه ثابتی است که در آن یخ، آب و بخار آب با هم در حال تعادل قرار دارند. این حالت فقط در فشار معینی حاصل می‌شود و یگانه است. ثابت شده است که در فشار 4.58 میلی‌متر جیوه (که فشار بسیار کمی است) نقطه‌جوش و انجماد آب به هم می‌رسند و با هم برابر می‌شوند معنی این اتفاق این است که آب در این فشار در یک نقطه هم می‌جوشد، هم منجمد می‌شود، هم ذوب و هم بخار می‌شود. پس در این وضعیت هر سه فاز آب (مایع-گاز-جامد) به تعادل می‌رسند یعنی در آنِ واحد هر سه حالت آب (آب مایع - بخار آب و یخ) در محیط در کنار هم وجود دارند. به این نقطه، نقطه سه‌گانه آب می‌گویند.

** نور لیزر را می‌توان در یک رشته آبشار گیر انداخت
یکی دیگر از واقعیت‌های باور نکردنی این است که نور لیزر را می‌توان در یک رشته آبشار گیر انداخت؛ بر اساس این واقعیت نور لیزر همواره در یک رشته آبشار گیر می‌کند. این موضوع نه‌تنها یک مثال باورنکردنی از «بازتابش داخلی کلی» (Total Internal Reflection) است بلکه نحوه کار کابل‌های اپتیکی نوری را برای هدایت جریان نور نشان می‌دهد.
اگر تابش از محیط غلیظ بر محیط رقیق صورت گیرد و نیز زاویه تابش از زاویه حد بزرگ‌تر باشد در این صورت هیچ نوری بر محیط دوم عبور نمی‌کند و برخلاف زاویه حد در مرز مشترک محیط‌ها نیز نوری نخواهیم داشت. این بازتابش کامل نور به محیط اول را پدیده بازتابش داخلی کلی می‌نامند که با علامت اختصاری TIR نمایش می‌دهند.

** تخم‌مرغ شکسته زیر آب شبیه ستاره دریایی است
یک تخم‌مرغ شکسته، روی زمین کثیف‌کاری زیادی به بار می‌آورد اما 18 متر زیر سطح اقیانوس، فشار وارده بر تخم‌مرغ 2.8 برابر فشار اتمسفری هست و این فشار همانند یک پوسته نامرئی برای تخم‌مرغ عمل می‌کند و باعث می‌شود که سفیده و زرده تخم‌مرغ از هم جدا نشوند و شبیه یک ستاره دریایی در زیر آب شناور باشد.

** زمانی که سیاه‌چاله، ستاره‌ای را می‌بلعد چه اتفاقی می‌افتد
یک محقق دانشگاه «جانز هاپکینز» در آمریکا می‌گوید: زمانی که ستاره‌ای به درون سیاه‌چاله‌ای بلعیده می‌شود، فواره‌ای بزرگ از پلاسما با شتاب از سیاه‌چاله خارج می‌شود و صدها سال نوری در فضا می‌چرخد. زمانی که ستاره توسط نیروهای جاذبه‌ایِ سیاه‌چاله متلاشی می‌شود، برخی قسمت‌های ستاره در سیاه‌چاله می‌افتد و بقیه با سرعت‌های زیاد در فضا تزریق می‌شوند.

** سیستم فرود گربه‌ها بر دو پا
گربه‌ها حس به دقت تنظیم‌شده‌ای از تعادل و چارچوب استخوانی بسیار انعطاف‌پذیر دارند (چرا که تعداد مهره‌های ستون فقرات گربه از انسان بیشتر است) و این امر به آن‌ها امکان می‌دهد تا بدنشان را بچرخانند و خودشان را هنگام فرود راست نگه دارند- یک توانایی ذاتی که «بازتاب راست ‌کننده» نامیده می‌شود.
هنگامی‌که یک گربه می‌جهد یا از جای بلندی پایین می‌پرد، از قوه بینایی یا دستگاه دهلیزی‌اش (یک سیستم تعادلی که درون گوش داخلی قرار دارد) استفاده می‌کند تا بالا را از پایین تشخیص دهد و سپس قسمت فوقانی بدنش را طوری می‌چرخاند تا به سمت پایین قرار گیرد. قسمت تحتانی بدن گربه هم این مسیر را دنبال می‌کند.
حتی بچه‌گربه‌ها می‌توانند بدون ترس پایین بپرند، چراکه اغلب آن‌ها تنها در 7 هفتگی در این کار مهارت پیدا می‌کنند.
گربه‌ها همچنین به علت بدن‌های کوچک، ساختار استخوانی سبک و موی ضخیمشان که باعث کاهش سرعت نهایی‌شان می‌شود، آرام به زمین برخورد می‌کنند.
برخی از گربه‌ها به شیوه‌ای مانند چتر نجات بدن‌هایشان را «پهن می‌کنند» تا مقاومت بیشتری در برابر هوا ایجاد کنند و سقوط آهسته‌تری انجام دهند.

** توپ چرخان در حین سقوط به پرواز درمی‌آید
یکی دیگر از واقعیت‌های باورنکردنی این است که اگر توپی را که می‌خواهیم از بلندی به پایین بیاندازیم در حین انداختن بچرخانیم توپ واقعاً پرواز می‌کند؛ این اتفاق به دلیل اثر مگنوس (Magnus effect) بروز می‌کند؛ اثر مگنوس اثری است که عموماً در یک توپ در حال چرخش دیده می‌شود به این صورت که توپ چرخان را از مسیر معمول خود به‌صورت حرکت منحنی‌وار منحرف می‌کند.
هنگامی‌که یک جسم در حال چرخیدن است سعی دارد تا هوای مجاور خود را که در تماس مستقیم با سطح آن است، همراه خود بچرخاند و این هوا به نوبه خود سعی می‌کند بر روی هوای مجاور اثر بگذارد. با این شیوه جسم دارای یک لایه هوا در مرز و محدوده خود می‌شود که آن را با خود می‌چرخاند.
هنگامی‌که جسم چرخان در حال حرکت و چرخیدن است و یک لایه جریان هوا از چپ به راست با سرعت مشخصی با سطح جسم در تماس است. در قسمت بالای جسم سرعت جسم و سرعت هوا در یک جهت هستند اما در پایین جسم سرعت هوا و سرعت جسم در خلاف جهت هم هستند. همان‌طور که از اصل «برنولی» می‌دانیم در نقاطی که سرعت زیاد باشد، فشار کم است و در نقاطی که سرعت کم باشد فشار زیاد است پس در اینجا در نقطه بالا فشار کم و در نقطه پایین جسم چرخان فشار زیاد است در نتیجه این اختلاف فشار باعث ایجاد نیرویی از سمت نقطه پرفشار به نقطه کم‌فشار می‌شود؛ و نیروی مگنوس را ایجاد می‌کند که باعث انحراف مسیر جسم چرخان می‌شود.

5656